Livro Ar Comprimido

EFICINCIA ENERGTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO

ELETROBRS Centrais Eltricas BrasileirasPraia do Flamengo, 66 Bloco A 14 andar - Flamengo CEP 22210-030 Rio de Janeiro RJ Tel.: (21) 2514-5151 Fax: (21) 2507-2474

PROCEL Programa Nacional de Conservao de Energia EltricaAv. Rio Branco, 53 20 andar - Centro CEP 20090-004 Rio de Janeiro RJ Tel.: (21) 2514-5197 Fax: (21) 2514-5155

F I C H A C ATA LO G R F I C A

CENTRAIS ELTRICAS BRASILEIRAS, FUPAI/EFFICIENTIA Eficincia Energtica em Sistemas de Ar Comprimido. Rio de Janeiro: Eletrobrs, 2005. 208p. ilust. (Contm CD) 1.Conservao de Energia Eltrica.2.Racionalizao no Uso da Energia Eltrica.3.Ar Comprimido.4.Compressor de Ar.I.Ttulo.II.Rocha, Newton Ribeiro.III.Monteiro, Marco Aurlio Guimares.

CDU: 621.3.004 621.3.004.14.004.1 621.54 621.51

Trabalho elaborado no mbito do contrato realizado entre a ELETROBRS/PROCEL e o consrcio EFFICIENTIA/FUPAIMME - MINISTRIO DE MINAS E ENERGIA Esplanada dos Ministrios Bloco "U" - CEP. 70.065-900 Braslia DF www.mme.gov.br Ministra Dilma Rousseff ELETROBRS/PROCEL Av. Rio Branco, 53 - 20 andar - Centro - CEP 20090004 - Rio de Janeiro RJ www.eletrobras.com/procel - [email protected] Presidente Silas Rondeau Cavalcante Silva Diretor de Projetos Especiais e Desenvolvimento Tecnolgico e Industrial e Secretrio Executivo do PROCEL Alosio Marcos Vasconcelos Novais Chefe de Departamento de Planejamento e Estudos de Conservao de Energia e Coordenador Geral do Projeto de Disseminao de Informaes de Eficincia Energtica Renato Pereira Mahler Chefe da Diviso de Suporte Tcnico de Conservao de Energia e Coordenador Tcnico do Projeto de Disseminao de Informaes de Eficincia Energtica Luiz Eduardo Menandro Vasconcellos Chefe da Diviso de Planejamento e Conservao de Energia Marcos de Queiroz Lima Chefe de Departamento de Projetos Especiais George Alves Soares Chefe da Diviso de Desenvolvimento de Projetos Setoriais de Eficincia Energtica Fernando Pinto Dias Perrone Chefe da Diviso de Desenvolvimento de Projetos Especiais Solange Nogueira Puente Santos EQUIPE TCNICA Coordenador Geral Marcos Luiz Rodrigues Cordeiro Autor: Newton Ribeiro Rocha* Professores da Universidade Federal de Itajub UNIFEI

C O N S R C I O E F F I C I E N T I A / F U PA I EFFICIENTIA Av. Afonso Pena, 1964 7 andar Funcionrios CEP 30130-005 Belo Horizonte MG www.efficientia.com.br - [email protected] Diretor Presidente da Efficientia Elmar de Oliveira Santana Coordenador Geral do Projeto Jaime A. Burgoa/Tulio Marcus Machado Alves Coordenador Operacional do Projeto Ricardo Cerqueira Moura Coordenador do Ncleo Gestor dos Guias Tcnicos Marco Aurlio Guimares Monteiro Coordenador do Ncleo Gestor AdministrativoFinanceiro Cid dos Santos Scala FUPAI Fundao de Pesquisa e Assessoramento Indstria Rua Xavier Lisboa, 27 Centro CEP 37501-042 Itajub MG www.fupai.com.br [email protected] Presidente da FUPAI Djalma Brighenti Coordenador Operacional do Projeto Jamil Haddad* Luiz Augusto Horta Nogueira* Coordenadora do Ncleo Gestor AdministrativoFinanceiro Heloisa Sonja Nogueira EQUIPE TCNICA Apoio Tcnico Adriano Jack Machado Miranda Maria Aparecida Morangon de Figueiredo Micael Duarte Frana Fotografia Eugnio Paccelli

Co-autor: Marco Aurlio Guimares Monteiro

SUMRIOApresentao Consideraes Iniciais Siglas e Abreviaturas 1 Introduo 2 Conceitos Bsicos2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Sistemas de unidades Temperatura (T) Presso (P) Volumes e vazes volumtricas do ar O ar atmosfrico Mudancas de estado do ar Ar comprimido

15 1718 18 19 22 25 31 35

3 Sistemas de Gerao de Ar Comprimido3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 Compressores Compressor recproco de pisto Compressores de parafuso Compressores dinmicos

3840 41 45 47

4 Armazenamento do Ar Comprimido - Reservtorios4.1 4.2 4.3 Funes dos reservatrios de ar comprimido Instalao dos reservatrios Volume dos reservatrios

5051 52 55

5 O Tratamento do Ar Comprimido5.1 5.2 5.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 Benefcios obtidos com o tratamento do ar comprimido Conseqncias do tratamento ineficiente do ar comprimido Secagem do ar comprimido Filtragem do ar comprimido Filtros e terminologia dos filtros Perda de presso ou perda de carga P Drenagem do condensado gerado nos sistemas de ar comprimido Classificao dos tipos de drenagem para condensado Drenagem por meio de vlvulas manuais Drenagem com controle de nvel Drenagem por meio de vlvulas magnticas de comando temporizado

6262 63 64 71 72 74 74 75 76 76 77

5.5.5 Drenagem utilizando medio eletrnica de volume ocupado 5.5.6 Drenagem utilizando bia para controle de nvel 5.6 Separao do leo contido na gua

78 80 81

6 Aplicaes6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 Puxar e grampear com ar comprimido Transporte por ar comprimido Sistemas de acionamento pneumtico Jateamento com ar comprimido Operaes com sopro de ar e jato de gua Operaes de inspeo e teste Controle de processos com ar comprimido Aplicaes especializadas

8282 83 83 84 84 85 86 87

7 Critrios de Seleo e Instalao Eficiente do Sistema7.1 7.1.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.6.1 7.6.2 7.6.3 7.6.4 7.7 7.7.1 7.7.2 Escolha da presso de trabalho Variao da presso de trabalho Clculo das necessidades de ar da instalao Centralizar ou no centralizar o fornecimento de ar comprimido Efeito da altitude no funcionamento dos compressores Observaes sobre consumo varivel Redes de distribuio do ar comprimido Perdas de carga e velocidades utilizadas nas tubulaes Procedimento de clculo de perda de presso por frmulas e grficos Determinao do dimetro do tubo conhecendo-se a perda de carga fixada Materiais e componentes mais utilizados nas redes Exemplos do dimensionamento de um sistema de ar comprimido Usando compressores alternativos de pisto Usando compressores tipo parafuso

9395 96 97 102 103 105 106 107 108 113 114 118 118 122

8 Manuteno e Operao Eficiente do Sistema8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5 8.1.6 8.1.7 8.2 8.2.1 Controle do sistema Controle por alvio de presso Controle por desvio Controle por reduo da entrada de ar no compressor Alvio de presso e obstruo da aspirao do ar Partida e parada Controle pela velocidade de rotao Carga - Alvio - Parada Modernizao dos sistemas de controle Sistemas mais simples

126126 126 127 127 127 127 128 128 129 129

8.2.2 Sistemas mais avanados 8.2.3 Sistema centralizado 8.3 Manuteno

129 130 130

9 Medidas de Eficincia Energtica9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.2 9.2.1 9.2.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.4 Potenciais de economia na geraco do ar comprimido Temperatura elevada no ar aspirado pelo compressor Sujeira no filtro de aspirao Presso de desarme muito elevada Potenciais de economia de energia eltrica na rede de distribuio e consumo Vazamentos nas linhas de ar comprimido Linhas de distribuio de ar comprimido muito sinuosas Recuperao de energia trmica Clculo do potencial de economia de energia Compressor resfriado a ar Compressor resfriado a gua Clculo da economia financeira e reduo de demanda

132133 133 135 136 139 139 143 143 145 147 147 148

10 Bibliografia 11 Links teis Anexo AA - Gesto Energtica

154 156

157157

Anexo BB - Viabilidade Econmica

176176

APRESENTAOCriado em 1985 pelo Governo Federal, o Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica (PROCEL) coordenado pelo Ministrio de Minas e Energia e implementado pela ELETROBRS. O objetivo principal do PROCEL contribuir para a reduo do consumo e da demanda de energia eltrica no pas, por meio do combate ao desperdcio desse valioso insumo. A ELETROBRS/PROCEL mantm estreito relacionamento com diversas organizaes nacionais e internacionais cujos propsitos estejam alinhados com o citado objetivo. Dentre elas, cabe ressaltar o Banco Mundial (BIRD) e o Global Environment Facility (GEF), os quais tm se constitudo em importantes agentes financiadores de projetos na rea da eficincia energtica. Nesse contexto, o GEF, que concede suporte financeiro a atividades relacionadas com a mitigao de impactos ambientais, como o uso racional e eficiente da energia, doou recursos ELETROBRS/ PROCEL, por intermdio do BIRD, para o desenvolvimento de vrios projetos. Dentre eles, destaca-se o projeto Disseminao de Informaes em Eficincia Energtica conce, bido e coordenado pela ELETROBRS/PROCEL e realizado pelo Consrcio Efficientia/Fupai, com o apoio do Programa das Naes Unidas para o Desenvolvimento (PNUD), que objetiva divulgar informaes sobre tecnologias de uso eficiente de energia para os profissionais de vrios setores, como o industrial, comercial, prdios pblicos e saneamento, difundindo aspectos tecnolgicos e operacionais que permitam reduzir o desperdcio de energia eltrica. Esse projeto tambm engloba a elaborao de casos de sucesso e treinamentos especficos que retratem os conceitos do uso racional e eficiente da energia.

CONSIDERAES INICIAISEm 2001, o Brasil vivenciou uma sria crise de abastecimento no setor eltrico. Duas constataes positivas, entretanto, sobressaram-se desse episdio: a forte participao da sociedade na busca de solues; e o papel importante da eficincia no uso de energia. Como conseqncia desse processo involuntrio de aprendizagem, vem se formando uma conscincia de que a eficincia energtica no pode estar vinculada apenas a questes conjunturais, mas deve fazer parte, de forma definitiva, da poltica energtica nacional, mediante a adoo de aes que visem, por exemplo, agregar valor s aes j em andamento no Pas, o desenvolvimento de produtos e processos mais eficientes e a intensificao de programas que levem mudana de hbitos de consumo. A energia um insumo fundamental para garantir o desenvolvimento econmico e social de um pas. A racionalizao de seu uso da energia apresenta-se como alternativa de baixo custo e de curto prazo de implantao, sendo que, em alguns casos, grande economia pode ser obtida apenas com mudanas de procedimentos e de hbitos, alm do impacto positivo para o meio ambiente. Dentre os aspectos econmicos envolvidos na atividade de racionalizao do uso da energia, deve-se destacar a importncia de que a mesma se reveste quando analisada sob a tica estratgica e da imagem da empresa, haja vista que o mercado est cada vez mais orientado a dar preferncia a produtos de empresas comprometidas com aes de proteo ao meio ambiente. Uma empresa que deseja alcanar uma estrutura de custos racionalizada e tornar-se mais competitiva no pode admitir o desperdcio ou usar a energia de forma ineficiente e irresponsvel. necessrio, pois, o esforo de todos os empregados da empresa, visando obter como resultado o mesmo produto ou servio com menor consumo de energia, eliminando desperdcios e assegurando a reduo dos custos. Espera-se que as informaes contidas neste Livro sejam teis para os tcnicos das empresas brasileiras, capacitando-os a implementar melhorias que resultem no uso responsvel dos recursos naturais e energticos e na melhoria da competitividade dos setores produtivos e de servios do Pas.

A Eletrobrs / Procel e o Consrcio Efficientia / Fupai agradecem os esforos de todos aqueles que participaram dos vrios estgios da elaborao deste documento, incluindo as fases de concepo inicial e de reviso final do texto. Registramos as contribuies, notadamente, de Evandro Srgio Camlo Cavalcanti e Osvaldo Luiz Cramer de Otero (Cepel); Andreas Hahn, Marcos Luiz Rodrigues Cordeiro e Rose Pires Ribeiro (Consultores).

SIGLAS E ABRE VIATUR ASDP ABNT ANEEL AT BT CD CICE DLE DLL DLP ETA ETE Fc FC FP FS Fu FU HFP HP ICMS MME MT NHFP NHP PGE PLC PO Procel PS PSI PU S TBS TBU Tc THS TIR U UA UR VPL VR Perda de carga ou de presso Associao Brasileira de Normas Tcnicas Agncia Nacional de Energia Eltrica Alta tenso Baixa tenso Compact disk disco tico Comisso Interna de Conservao de Energia Descarga efetiva Descarga de ar livre Descarga padro normal Estao de tratamento de gua Estao de tratamento de efluentes / esgoto Fator de coincidncia Fator de carga Fator de potncia Horrio fora de ponta em perodo seco Fator de utilizao Horrio fora de ponta em perodo mido Horrio fora de ponta Horrio de ponta Imposto sobre Circulao de Mercadorias Ministrio de Minas e Energia Mdia tenso Nmero de horas fora de ponta Nmero de horas de ponta Programa de Gesto Energtica Controlador lgico programvel Ponto de orvalho Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica Horrio de ponta em perodo seco Libras por polegada ao quadrado (Pounds square inch) Horrio de ponta em perodo mido Seco Temperatura de bulbo seco Temperatura de bulbo mido Taxa de ciclos do motor Tarifao horo-sazonal Taxa interna de retorno mido Umidade absoluta Umidade relativa Valor presente lquido Volume do reservatrio de ar


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1

Introduo

A energia eltrica, dentre as formas de energia secundrias existentes no planeta, a mais flexvel, a mais eficiente e a mais pura. Porm, como sua produo vai se tornando cada vez mais complexa e dispendiosa, necessrio que o usurio se conscientize da necessidade de utiliz-la da maneira mais eficiente possvel, reduzindo ao mximo as perdas e os desperdcios. Essa atitude pode ser considerada como um exerccio de cidadania. A utilizao do ar comprimido como insumo e vetor energtico larga e intensamente difundida nas indstrias. Atualmente, a produo desta utilidade industrial diretamente proporcional ao consumo de energia eltrica. Pode-se at dizer que o ar comprimido o ar eletricamente capacitado a realizar trabalho. Ou seja, perda de ar comprimido significa perda de energia eltrica. Tendo em vista os aspectos citados, engenheiros, tcnicos e usurios do ar comprimido devem procurar otimizar as suas instalaes, objetivando a eficientizao energtica tanto na gerao quanto no tratamento, distribuio e consumo do ar comprimido. Este documento prope-se a orientar os usurios de ar comprimido sobre as muitas oportunidades de seu uso otimizado. Apesar de ser este um Livro prtico, aspectos tericos sero destacados para que esse conhecimento possa auxiliar os tcnicos usurios de ar comprimido no entendimento de seu processo de produo e uso, bem como para capacit-los a identificar outras oportunidades. A partir dos conceitos bsicos, sero descritos os sistemas de gerao de ar comprimido, seu tratamento posterior, o dimensionamento adequado das linhas de distribuio de ar comprimido e das necessidades de ar, e suas aplicaes. Descritos esses sistemas, o Livro apresenta as medidas de eficincia energtica. Os usurios podero, ento, identificar aquelas aplicveis em suas instalaes ou, a partir do conhecimento dessas alternativas e dos sistemas descritos anteriormente, novas oportunidades. Em todos os captulos, exemplos prticos sero apresentados e as informaes mais importantes, do ponto de vista do uso eficiente do ar comprimido e, conseqentemente,

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da energia eltrica, sero ressaltadas. Alm das orientaes para o uso adequado do ar comprimido, apresentada breve descrio das prticas de gerenciamento energtico, necessrias para converter as economias obtidas em kW e kWh em reais (R$). No anexo A, constam essas orientaes, bem como outras dicas para aqueles profissionais que no esto dedicados exclusivamente rea de ar comprimido. O anexo B, importante e, talvez, essencial, traz o resumo dos principais conceitos de Matemtica Financeira e viabilidade econmica, a partir dos quais o profissional poder justificar, financeiramente, a necessidade de implantao das medidas de eficientizao energtica. Finalmente, acompanha este Livro um CD, no qual so encontrados documentos, planilhas e programas mencionados ao longo do texto que auxiliaro e facilitaro a aplicao das orientaes aqui contidas. So modelos propostos que podem e devem ser aperfeioados condio especfica de cada usurio. O consrcio Efficientia/Fupai, responsvel pela elaborao deste documento e do CD que o acompanha, solicita que sugestes de melhorias ou eventuais ajustes no texto ou nos arquivos lhe sejam encaminhados. Um manual prtico, do qual os conceitos aqui apresentados so extrados e que valoriza mais os exemplos prticos e oferece dicas importantes, frmulas, tabelas e grficos teis no dimensionamento de medidas de eficincia energtica, tambm estar disponvel.


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Conceitos Bsicos

Este captulo visa sintetizar os princpios da Fsica que embasam o entendimento dos processos de obteno, distribuio e uso do ar comprimido. A parte da Fsica que estuda as transformaes e as trocas de energia nos processos com os gases e o ar um gs denominada Termodinmica. O ar comprimido um produto dotado de alta energia, resultado de uma transformao termodinmica sofrida pelo ar atmosfrico por meio do consumo de trabalho mecnico de compresso realizado por uma mquina trmica, denominada compressor. A realizao de qualquer tipo de trabalho s possvel se o agente for dotado de capacidade; ou seja, tiver energia para tal fim. Portanto, o binmio trabalho-energia dever ser entendido como se os dois elementos fossem sinnimos ou como se o significado de um estivesse intimamente ligado ao significado do outro. Em Termodinmica, denomina-se sistema motriz (motor trmico, mquina trmica) um dispositivo que, funcionando segundo um ciclo, capaz de receber energia e realizar trabalho. Assim, um sistema motriz termodinmico para produzir o "ar comprimido" dever consumir um tipo de energia. No caso mais comum, a energia eltrica usada para produzir o ar comprimido, que um produto dotado de alta energia; portanto, dotado da capacidade de produzir trabalho mecnico no sistema em que for utilizado. Como o consumo da energia eltrica o principal insumo para obter-se o ar comprimido, qualquer uso indevido na produo e uso do ar comprimido representa perda de energia eltrica. Este documento objetiva identificar o melhor uso do ar comprimido no que refere ao uso eficiente da energia que foi consumida para sua obteno.

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2.1 Sistemas de unidadesApesar da recomendao para que sejam usadas as unidades do sistema mtrico internacional, o texto mencionar outras unidades de medidas, considerando seu uso j consagrado entre os profissionais. A tabela 2.1 apresenta as unidades mais comuns utilizadas no Brasil TA B E L A 2 . 1 U N I D A D E S M A I S C O M U N S DENOMINAO SIMBOLOGIA SISTEMA INTERNACIONAL Pascal (Pa) m3 K s m3/s N/m3 kg/m3 J W m/s SISTEMA TCNICO bar m3 C h, min, s m3/s kgf/m3 utm/m3 cal; kgf.m kgf.m/s; cv m/s SISTEMA INGLS psi ft3 F h , min cfm lbf/ft3 lb/ft3 lbf.ft; Btu lbf.ft/h; hp ft/h

Presso Volume Temperatura Tempo Vazo volumtrica Peso especfico Massa especfica Energia e Trabalho Potncia Velocidade

P V T t DLP,DLE,Q g r E,W N v

2.2 Temperatura (T)A temperatura uma grandeza termodinmica que indica o efeito cintico do movimento das partculas interatmicas. A avaliao desta grandeza realizada por instrumento de medio, denominado termmetro. Existem termmetros que utilizam vrias escalas de medio. No Brasil, adota-se a escala Celsius, cujo smbolo C.


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Os valores em C podero ser transformados para a escala absoluta (escala kelvin), cujo smbolo K, pela relao aproximada: T(K ) = T(C) + 273 (2.1)

Exemplo: A quantos kelvins equivale a temperatura de 25C ? Utilizando a relao 2.1, T(k) = 25 + 273 = 298 K Os pases de lngua inglesa utilizam a escala Fahrenheit, cujo smbolo F. A relao entre esta escala e a Celsius a seguinte: T(F) = 1,8 x T(C) + 32 (2.2)

Exemplo: A quantos graus Fahrenheit correspondem 25C ? Utilizando a relao 2.2, T(F) = 1,8 x 25 + 32 = 77F

2.3 Presso (P)A grandeza da Fsica denominada Presso o resultado do efeito causado pela ao, no plano perpendicular, de uma fora sobre uma determinada rea superficial onde est aplicada a fora. No caso do ar comprimido, o resultado da fora que ele exerce sobre a superfcie onde est confinado. A equao que define o valor da presso P a que se segue: P (Pa) = F / A (2.3)

F valor da fora, em N. A rea superficial onde est aplicada a fora, em m2. A unidade de presso no sistema internacional o N/m2, ou Pa. Mas no campo industrial comum a utilizao da relao entre a unidade de fora (kgf ) pela unidade de rea (cm2), isto , kgf/cm2. Outra unidade bastante utilizada o bar, que equivale a 100 kPa.

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Para fins prticos, pode-se considerar que 1 bar = 1 kgf/cm2. (O valor exato 0,986 kgf/cm2.) Nos pases de lngua inglesa utilizada a unidade psi, que significa libras por polegada ao quadrado. 1 bar = 14,5 psi = 100.000 Pa = 760 mm Hg Ou 1 psi = 0,069 bar = 6,9 kPa

Exemplo: Qual o valor de 7 bar, expresso em psi e em Pa? 7 bar => 7 x 14,5 = 101,5 psi = 7 x 100.000 = 700 kPa Presso atmosfrica e presso manomtrica A atmosfera que envolve o planeta Terra composta pela mistura de vrios gases, como oxignio e nitrognio, vapor de gua, materiais slidos particulados (poeiras) e aerossis. Essa camada, que tem aproximadamente 40 km de altitude mdia, exerce um peso (fora) sobre a superfcie terrestre e tudo que se encontra nela. Pode-se perceber que a maiores atitudes da superfcie terrestre menos material atmosfrico age sobre ela. Ao contrrio, quanto mais baixa a regio terrestre, mais material atmosfrico se acumula sobre ela. Este maior ou menor acmulo de material na atmosfera exercer maior ou menor peso sobre as superfcies em contato com ele; portanto, maior ou menor presso. O instrumento indicado para medir esta presso denominado barmetro. Por isso, a presso medida por ele dita de presso baromtrica ou atmosfrica local. Ao nvel do mar, que a referncia para as medies, o valor medido pelo barmetro de 1,013 bar. utilizaremos o smbolo Patm para designar a presso atmosfrica. A tabela 2.2 apresenta a variao da presso atmosfrica com a altitude referenciada ao nvel do mar.


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TA B E L A 2 . 2 VA R I A O D A P R E S S O AT M O S F R I C A C O M A A LT I T U D E A C I M A D O N V E L D O M A R

ALTITUDE m 0 (nvel do mar) 100 200 300 400 500 600 800 1000 1400 1800 2000 2400 3000 Fonte: NASA

PRESSO ATMOSFRICA bar 1,013 1,010 0,989 0,978 0,966 0,955 0,943 0,921 0,899 0,856 0,815 0,795 0,756 0,683

Nota: Os servios de meteorologia locais fornecem os valores corretos da presso atmosfrica. A denominao presso manomtrica, cujo smbolo Pman, equivale presso de um sistema, ou instalao, medida por um instrumento de medio denominado manmetro.

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Essa medio no leva em conta a ao da presso atmosfrica do local. O valor da presso manomtrica escrito assim: 7 bar. Quando se deseja levar em conta a presso atmosfrica do local, deve-se usar a presso absoluta, cujo smbolo Pabs. Para obter-se a presso absoluta de uma medio, basta adicionar ao valor medido o valor da presso atmosfrica local. Por exemplo, a presso absoluta do valor manomtrico citado acima em um local a 500 m acima do nvel do mar ser: 7 + 0,955 (valor da tabela 2.2) = 7,955 bar abs. O valor deve vir acompanhado do smbolo (abs), para indicar que se trata de presso absoluta. A relao entre o valor da presso absoluta e o valor da presso manomtrica pode ser escrita na forma: Pabs = Pman + Patm (2.4)

Em certos sistemas ou instalaes existem presses cujos valores esto abaixo da presso atmosfrica do local. Neste caso, dito que a presso negativa, e o seu valor dever vir acompanhado do sinal (-). tambm denominada presso de vcuo. Estes valores so medidos por um instrumento denominado Vacumetro.

2.4 Volumes e vazes volumtricas do ar

Volume de ar livre V [ m3 ]

O volume do ar comprimido poder ser medido como se estivesse na temperatura de 20C e na presso manomtrica de 0 bar, que equivale presso absoluta de 1 bar. O volume do ar comprimido, quando referido nessas condies, denominado volume de ar livre. Vamos determinar pela geometria o volume ocupado por um cilindro, cujo valor ser denominado Vcil. O volume do ar na condio livre dado pelo volume do cilindro (figura 2.1) nas condies de presso e temperatura citadas acima. Vcil = ( . d2 / 4) x h (2.5)


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em que: Vcil = volume do cilindro em m3 d = dimetro em m h = altura em m

Figura 2.1 Volume de um cilindro

evidente que se estiver comprimido a 8 bar e com outra temperatura, o volume ocupado pelo ar ser bem menor que o do cilindro Vcil.

Volume normal [ Nm3 ]

As condies denominadas normais de medio de volume do ar so aquelas que referem o volume do ar nas seguintes condies: presso absoluta e atmosfrica de 1,013 bar e temperatura de 0C. O volume de ar dito volume padro de ar normal e o seu valor deve vir acompanhado da letra N, maiscula. Por exemplo: 50 Nm3 de ar

Volume de ar efetivo

Representa o volume do ar comprimido nas condies de compresso reais. Ou seja, na presso e na temperatura em que realmente produzido. Nestes casos, necessrio sempre referenciar o ar nas condies em que ele realmente se encontra. Exemplo: 50 m3 de ar comprimido na presso manomtrica de 7 bar e temperatura de 40C.

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Vazo ou descarga de ar comprimido

o volume de ar comprimido produzido ao longo do tempo ou a quantidade de ar produzida em um intervalo de tempo. Conforme dito anteriormente, preciso informar como este volume est sendo medido ou referido. Se a referncia como ar livre, denomina-se vazo ou descarga de ar livre (DLL). Se a referncia como ar efetivo, denomina-se vazo ou descarga efetiva (DLE). Se a referncia nas condies de padro normal, denomina-se vazo ou descarga padro normal (DLP). Por exemplo: DLP = 50 Nm3/h, DLE = 3000 m3/h, a 7 bar, 40C DLL = 180 m3/s, na presso atmosfrica local e 20C. Se for necessrio converter, por exemplo, uma vazo efetiva (DLE) em m3/h, para as condies normais (DLP), ou seja, para Nm3/h que o compressor aspira, pode-se utilizar a relao abaixo (2.6): DLP [Nm3/h] = DLE [m3/h] x {273/(273+T1)} x [P1 -(UR x PV)]/1,013} em que: T1 = temperatura de entrada do ar em C; P1 = presso de entrada do ar na admisso do compressor em bar abs.; UR = umidade relativa do ar local em %; e PV = presso parcial do vapor de gua em bar abs. Para obter o valor da vazo efetiva comprimida (DLE) na descarga do compressor, sendo dada a vazo padro normal (DLP), deve-se utilizar a relao simplificada abaixo: DLE = DLP / R (2.7) (2.6)


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em que, R = a presso manomtrica do ar comprimido + 1, denominada taxa de compresso.

Exemplo: 64 Nm3/h de ar aspirado a 1 barabs e comprimido at 8 barabs. Determinar a descarga efetiva deste ar. R=1+7=8 DLE = 64 / 8 = 8 m3 na presso de 8 bar abs.

2.5 O ar atmosfrico

Composio

A composio percentual de elementos que esto presentes no ar atmosfrico seco varia de regio para regio. Os engenheiros e cientistas utilizam nos clculos o que denominam ar seco padro, que apresenta as composies mostradas na tabela 2.3. TA B E L A 2 . 3 TA B E L A D O A R S E C O PA D R O ELEMENTO Nitrognio Oxignio Outros PERCENTUAL EM VOLUME 78,0 21,0 1,0 PERCENTUAL EM MASSA 75,5 24,0 0,5

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Figura 2.2 Constituio do ar atmosfrico padro Na realidade, o ar atmosfrico composto por uma quantidade enorme de outros elementos gasosos, sendo os mais importantes a gua, na forma de vapor, e as poeiras, em suspenso. A presena de poeira e de gua na composio do ar exerce papel preponderante quando estamos tratando de ar comprimido. O ar atmosfrico pode ser entendido como se fosse uma esponja mida (figura 2.3). Ela pode conter certa quantidade de gua quando estiver relaxada, em equilbrio. Mas quando a esponja comprimida, a gua precipitada. No final, alguma gua ainda permanece na esponja quando a presso terminar. O ar tem o comportamento muito similar ao da esponja quando comprimido.

Figura 2.3 Ar como esponja


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A retirada da gua do ar comprimido pode ser realizada por meio de resfriamento do ar, como ocorre nos aparelhos de ar condicionado. Para isso, necessrio entender os conceitos de presso de saturao e vaporizao, umidade absoluta e relativa, e temperaturas de bulbo mido e seco.

Presso de vaporizao ou de vapor da gua

Toda vez que um lquido se transforma em vapor, dizemos que ele atingiu a presso de vaporizao ou a de vapor naquelas condies de temperatura. A presso de vaporizao dgua somada presso parcial do ar seco totaliza a presso atmosfrica. A gua presente na composio do ar atmosfrico est sob a forma de vapor em equilbrio de presses com a presso total do ar. Portanto, ela permanecer em estado de vapor at que estas condies de presso e temperatura mudem. Se a presso aumenta ou a temperatura reduz, a gua poder mudar do estado de vapor para o de lquido e deixar a mistura, totalmente ou em parte. Assim, ao comprimirmos o ar e, em seguida, o resfriamos, propiciamos as condies para sua condensao.

Umidade do ar

O ar atmosfrico contm gua no estado de vapor, em equilbrio com o ar atmosfrico. Quando o ar no contiver gua na sua composio, dizemos que o ar seco. Se h presena de gua na sua composio, diz-se que ar mido. Existem duas formas de apresentar a umidade do ar: umidade absoluta e umidade relativa. Denominando Gv o peso de vapor de gua e Gar o peso do ar seco contido na mistura de peso total G, temos que: UA = Gv / Gar (2.8)

UA denominada umidade absoluta do ar, em kg de gua / kg de ar seco. Porm, a quantidade de gua que pode ser contida no ar no ilimitada. Ela depende da presso de saturao do vapor e da temperatura da mistura com o ar.

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Quando o ar contm o mximo de umidade possvel (Gs), dizemos que o ar est saturado. Isto significa que no existe possibilidade de se colocar mais gua neste ar ou que, se houver mais gua que a umidade mxima, ela estar na forma lquida, condensada. A relao entre o peso de vapor de gua contida por kg de ar mido e o peso de vapor de gua que o mesmo conteria se estivesse saturado recebe o nome de umidade relativa, expressa em percentual: UR = (Gv / Gs) x 100% (2.9)

Geralmente, a mxima umidade expressa em g de gua / m3 de ar. A tabela 2.4 apresenta as mximas umidades do ar para determinadas temperaturas e suas respectivas presses de vaporizao ou de saturao. TA B E L A 2 . 4 - M X I M A U M I D A D E D O A R TEMPERATURA (C) PRESSO DE SATURAO (bar) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0,00623 0,00891 0,01251 0,01738 0,02383 0,03229 0,04325 0,05733 0,07520 0,09771 0,12578 UMIDADE MAXIMA (g / m3) 4,8 7,1 9,4 12,8 17,3 23,0 30,4 39,6 50,7 65,4 82,3

Fonte: Wylen&Sontag e Atlas Copco (Adaptao)


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Temperatura de bulbo seco (TBS)

Quando se determina o valor da temperatura do ar utilizando um termmetro comum de bulbo, diz-se que este valor representa a temperatura de bulbo seco do ar.

Temperatura de bulbo mido (TBU)

Quando se utiliza para medio da temperatura do ar um termmetro cujo bulbo envolto por uma gaze umedecida com gua, denomina-se o valor obtido de temperatura de bulbo mido do ar. A medio realizada fazendo-se girar ou balanar este termmetro para provocar a evaporao da gua contida na gaze.

Ponto de orvalho (PO)

Se o vapor d'gua contido no ar a uma determinada presso se liquefaz, ou seja, condensa, dizemos que o ar atingiu uma temperatura abaixo do ponto de orvalho para aquela presso. Isto , a temperatura na qual se inicia a condensao de um gs, em determinada presso, denominada ponto de orvalho. Essas propriedades, geralmente, so obtidas em cartas psicromtricas, fornecidas pelos servios de meteorologia. Os textos que tratam da umidade do ar apresentam correlaes aproximadas, que podem auxiliar o usurio na determinao das presses de vapor e de saturao do ar, como tambm na determinao das umidades relativa e absoluta do ar, sendo conhecidas como temperatura local de bulbo seco (TBS) e temperatura local de bulbo mido (TBU), facilmente obtidas nos servios de meteorologia. A seguir, fornecemos algumas equaes das propriedades aqui descritas.

Presso de vapor na saturao do ar Pvs = 22.105.649,25 . eX (2.10)

X = (-27.405,526 + 97,5413 .T 0,146244 .T2 + 0,00012558 .T3 - 0,000000048502 .T4) / (4,34903 .T 0,0039381 .T2) Pvs = presso do vapor do ar saturado em Pa. T = temperatura do ar saturado (TBU) em Kelvin (K).

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Presso de vaporizao da gua contida no ar Pv = Pvs (Patm / 755) . 0,5 . (TBS - TBU) Pv = presso parcial do vapor no ar em Pa. (2.11)

Umidade absoluta UA = 0,622 . Pv / (Patm - Pv) UA em kg de gua / kg de ar. P em Pa (2.12)

Umidade relativa UR = 100 . Pv / Pvs UR em %. (2.13)

Volume especfico do ar mido u = (101.300 / Pabs) . (0,7734 + 1,224 . UA) . (TBS / 273) u em m3/kg ; P em Pa; TBS em K. Exemplo (2.14)

Determinar Pvs, Pv, UR, UA e a massa especfica do ar atmosfrico que apresenta as seguintes propriedades: TBS = 30C, TBU = 20C, Patm = 101.300 Pa (1,013 bar). a) Presso de saturao Pvs = 22.105.649,25 . eX X = (-27.405,526 + 97,5413 .T 0,146244 .T4 + 0,00012558 .T4 - 0,000000048502 .T4) / (4,34903 .T 0,0039381 .T4) T = TBU = 20 + 273 = 293 K X = -9,16 Pvs = 2.315 Pa b) Presso de vaporizao Pv = Pvs (Patm / 755) . 0,5 . (TBS - TBU)


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Pv = 2.315 (101.300 / 755) . 0,5 . (30 - 20) Pv = 1.644 c) Umidade relativa UR = 100 . Pv / Pvs UR = 100 x 1.644 / 2.315 UR = 71,0% d) Umidade absoluta UA = 0,622 . Pv / (Patm - Pv) UA = 0,622 x 1.644 / (101.300 - 1.644) UA = 0,01026 kg de gua / kg de ar seco e) Massa especfica mdia do ar mido em kg/m3 = 1/ u TBS = 30 + 273 = 303 K u = (101.300 / Pabs) . (0,7734 + 1,224 . UA) . (TBS / 273) u = (101.300 / 101.300) x (0,7734 + 1,224 x 0,01026) . (303 / 273) u = 0,872 = 1/ u = 1 / 0,872 = 1,15 kg / m3

Para facilitar a sua manipulao, essas frmulas foram colocadas no arquivo/planilha formulascap2 do CD que acompanha esse livro.

2.6 Mudanas de estado do arO ar denominado comprimido quando a presso a que estiver sujeito maior que a presso atmosfrica local. Quando isso ocorre, dizemos que o ar sofreu uma transformao termodinmica, denominada compresso.

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Durante vrios anos, estudiosos pesquisaram o comportamento dos gases quando estes passavam por transformaes. Chegaram a uma relao geral entre presses, temperaturas e volumes ocupados, a qual se denominou Equao geral dos gases. As transformaes a que um gs estar sujeito nos processos industriais podero ser entendidas pelas observaes que se seguiro no texto abaixo. Representando para um gs o volume ocupado por V, a temperatura por T e a presso por P, a equao geral dos gases expressa por: (P x V ) / T = Constante (2.15)

Transformao Isovolumtrica

Vamos observar o sistema abaixo, em que um gs est confinado dentro de um cilindro sob a ao de um pisto. Nessas condies, sejam P0 e T0 os valores de sua temperatura e presso. Se, por um processo qualquer, for fornecido calor para o gs confinado dentro do cilindro, mantendo-se o pisto na mesma posio que estava anteriormente (V = constante), o gs atingir uma temperatura T1 > T0 e a presso passar para um valor P1 > P0. Essa transformao termodinmica por que passou o gs denominada transformao isovolumtrica, transformao iscora ou, ainda, termocompresso.

Figura 2.4 Transformao com volume constante


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A relao 2.15 fica: (P0 V) / T0 = (P1 x V) / T1 P0 / T0 = P1 / T1 P1 / P0 = T1 / T0 (2.16)

Se a presso aumentar e o volume ocupado pelo gs permanecer constante, a temperatura aumentar.

Transformao Isotrmica

Considere-se o mesmo sistema anterior, admintindo-se, porm, que o pisto ser movimentado no sentido de reduzir o volume ocupado pelo gs, de V0 para o valor V1, em que V1 < V0. Portanto, aumenta-se a presso para P1 > P0. medida que o processo de compresso for sendo realizado, retira-se calor, pois a temperatura tende a aumentar, mantendo a temperatura com o mesmo valor do incio ao fim da transformao. Dizemos, ento, que foi realizada uma transformao isotrmica.

Figura 2.5 - Transformao com temperatura constante Verificando a relao 2.15: (P0 x V0 ) / T = (P1 x V1) / T P0 x V0 = P1 x V1 P0 / P1 = V1 / V0 (2.17)

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Transformao Isobrica

Figura 2.6 - Transformao a presso constante Para obter-se essa transformao, basta, no mesmo sistema, fornecer calor para aumentar a temperatura T1>T0 e, ao mesmo tempo, liberar o pisto no sentido de aumentar o volume para V1 >V0, para a presso no aumentar. Da relao 2.15: P x V0 / T0 = P x V1 / T1 V0 / T0 = V1 / T1 (2.18)

Quando a temperatura aumenta e a presso permanece constante, o volume dever aumentar. Essa transformao denominada isobrica. Obs.: Nessas relaes, deve-se usar o sistema internacional de unidades. Exemplo de determinao da massa de gua (m) que ser precipitada: Seja considerado um volume de 8 m3 de ar atmosfrico com as seguintes propriedades fornecidas pelo servio de meteorologia: P1 = 1 bar abs ,T1 = 25C, UR1 = 70%, Gs1 = 0,023 kg de gua/m2. Aps sofrer a compresso para P2 = 8 bar abs, armazenado num reservatrio a T2 = T1 = 25C, Gs2 = Gs1 = 0,0023 kg de gua/m2 e UR2 = 100%


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A equao geral dos gases : P2V2/T2 = P1V1/T1. Como T2 = T1, ento vem de 2.12 que: P2 .V2 = P1.V1 V2 = P1.V1 / P2 V2 = 1 x 8 / 8 = 1 m3 m = V1 x UA1 x UR1 - V2 x UA1 x UR2 (2.19)

Ma = 8 x 0,023 x 0,80 - 1 x 0,023 x 1 = 0,124 kg = 124 g de gua No captulo 5, sobre tratamento do ar comprimido, retornaremos a este tema.

2.7 Ar comprimidoO ar atmosfrico est no seu estado natural de equilbrio (presso atmosfrica) e no dispe de nenhuma energia que possa ser utilizada para realizar qualquer tipo de trabalho. Ou seja, o mesmo que dizer que o ar est "desenergizado" para uso. Quando este ar estiver com uma presso maior que a atmosfrica, a sim ele poder realizar trabalho. Para tal, basta verificar os estragos realizados pelos ventos ou a energia obtida pelos geradores elicos a partir dos ventos. Uma forma de obter-se um ar industrial dotado de muita energia consiste em comprimi-lo (isto , aumentar sua presso), pois assim ele ficar dotado de energia de presso e, portanto, estar, qualificado para realizar trabalho. A rea da engenharia que se ocupa do ar comprimido denominada Pneumtica, que tem a finalidade de estudar o controle e o uso da energia potencial de presso de que est dotado o ar. Se o ar comprimido estiver armazenado dentro de um vaso de presso, ele no est realizando nenhum trabalho, porm est dotado de muita energia potencial de presso. Desde que ele possa fluir ao longo de uma tubulao, uma parte desta energia potencial se transforma em energia cintica (de velocidade), e o ar pode ser levado a outros locais, onde sua energia potencial poder ser utilizada para a realizao de algum trabalho. Porm, se toda sua energia potencial for consumida em energia cintica para o seu deslocamento, no restar ao ar nenhuma energia para produzir trabalho til no local de uso.

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A seleo adequada dos compressores para produzir ar com determinada presso e vazo dos reservatrios de ar, das tubulaes, dos filtros, dos reguladores, das vlvulas de controle e de outros pertences da instalao de extrema importncia para que o sistema como um todo funcione adequadamente, principalmente no intuito de minimizar as perdas de presso at que o ar comprimido atinja os pontos de consumo.

Hidrodinmica do ar comprimido O escoamento do ar comprimido obedece tambm a vrias leis fsicas. - Vazo de ar escoando por um tubo circular A vazo (Q) o produto da rea de passagem (A) vezes a velocidade do ar (v) Q = A1 x v 1 = A2 x v 2 A1 / A 2 = v 2 / v 1 A1 e A2 = reas da seo de passagem do tubo v1 e v2 = velocidades na seo de passagem (2.20)

A1

A2

V1

V2

Figura 2.7 Vazo de ar em tubos


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Na hidrodinmica, classificam-se os escoamentos em: laminar ou turbulento. sempre ideal para a distribuio de qualquer fluido em escoamento por tubulaes que o escoamento seja laminar, reduzindo-se ao mximo as perdas de presso durante o escoamento. Se for turbulento, as perdas de presso alcanaro valores extremamente altos. As velocidades recomendadas para o ar comprimido so de at 20 m/s. Valores maiores produziro maiores perdas de carga na tubulao, que, como ser visto adiante, so proporcionais ao quadrado da velocidade.

Figura 2.8 - Escoamentos do ar

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Sistemas de Gerao de Ar Comprimido

A figura 3.1 apresenta um esquema de um sistema de ar comprimido.

Figura 3.1 - Viso tridimensional de uma instalao de gerao de ar comprimido O ar atmosfrico admitido pelo compressor de ar, apesar de ser filtrado entrada (filtro primrio), contm vrias impurezas, invisveis a olho nu. Entre elas, podemos destacar duas principais: vapor de gua (umidade) e particulados (poeiras). Aps a compresso, pode ocorrer a contaminao do ar com o leo lubrificante do compressor, e, devido ao processo de compresso, a temperatura do ar se eleva consideravelmente dentro do compressor. Com a finalidade de retirar o leo absorvido pelo ar comprimido, recomenda-se pass-lo por um separador de leo e, em seguida, dirigi-lo a um trocador de calor, que pode


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ser resfriado por gua ou ar sob ventilao, denominado aftercooler. Esse resfriamento reduz a temperatura do ar comprimido proveniente da descarga do compressor. Dependendo do tipo de compressor utilizado na gerao do ar comprimido, a temperatura do ar na descarga pode variar de 85oC at 180oC. O uso deste resfriador de ar montado depois do compressor (da o nome, em ingls, aftercooler) reduz a temperatura do ar comprimido para valores entre 10C at 15C acima da temperatura do ambiente. Este abaixamento de temperatura facilita a precipitao de condensado (umidade). Seguindo sua rota, o fluxo de ar vai para o reservatrio (tanque), onde armazenado. A se precipita grande parte da umidade contida no ar comprimido, que dele drenado para o esgoto por dispositivos de drenagem adaptados ao reservatrio. Para garantir a mxima retirada da umidade do ar, este passa por um secador, onde precipitado o restante do condensado que se quer retirar. O condensado drenado vai para o esgoto, e o ar, agora industrialmente seco, vai passar pela filtragem final, para que sejam eliminadas as impurezas restantes antes que o ar seja fornecido rede de distribuio. Esta conduzir o ar at sua aplicao especfica. Nela podero estar instalados purgadores, vlvulas, filtros e reguladores de presso. A configurao do sistema depender de vrios fatores. Citam-se:

nmero de pontos usurios; consumo e presses por aplicao; distncia entre pontos usurios; custos de manuteno; custos de paradas no programadas; eficincia dos equipamentos; disponibilidade de utilidades no leiaute da planta; e perfil da carga a ser atendida.

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A anlise desses fatores pelo pessoal de fbrica ou especialistas indicar se o sistema dever ser centralizado ou descentralizado, de mltiplas unidades ou de poucas e grandes mquinas. A experincia mostra que a centralizao dos compressores necessrios a um sistema a preferida, pois, entre outras facilidades, permite: economia na operao do sistema, melhor projeto, proteo contra a entrada de pessoas no autorizadas no recinto, bom controle da poluio sonora e controle da ventilao local.

A sala dos compressores

A localizao da sala no leiaute da fbrica de extrema importncia, pois uma m locao trar em futuro prximo problemas de soluo complexa e dispendiosa. Os equipamentos que compem o sistema de gerao de ar comprimido devem estar em espao amplo, para que possam ser vistoriados de qualquer posio, e afastados das paredes, para que os mecnicos de manuteno possam desenvolver seu trabalho. Os prprios fabricantes de compressores, reservatrios, filtros e secadores dispem de catlogos e manuais que orientam o usurio a instalar adequadamente seus produtos. Entre as aes que afetam diretamente o consumo de energia, est a localizao da tomada de ar de admisso dos compressores, como ser visto adiante. DICA: As aberturas para a entrada do ar atmosfrico devem ser bem planejadas. Quanto mais ventilado e fresco for o ambiente da sala de compressores, melhor ser o rendimento do sistema.

3.1 CompressoresA figura 3.2 apresenta uma classificao dos tipos de compressores existentes, segundo o princpio de operao. Apesar da diversidade apresentada para a maioria das aplicaes usuais de ar comprimido, os compressores de deslocamento positivo ou volumtricos de pisto e os de parafuso so os mais utilizados. Os turbocompressores ou os dinmicos, como os centrfugos e axiais, so mais utilizados em sistemas de presses menores mas com vazes elevadas. Os demais compressores so usados para outros gases ou para aplicaes especiais.


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A figura 3.3 mostra, para os tipos apresentados, como so representados, em smbolos, seus diaframas, faixa de presso e vazo usual que operam.

3.1.1 Compressor recproco de pistoAs vantagens principais desses compressores so: produzirem altas presses e funcionam com excelente desempenho mecnico.

Compressores com lubrificao

Estes compressores foram os que primeiro chegaram ao mercado. Seu conceito de construo foi desenvolvido nos anos 20 e at hoje so os mais comuns em uso. Normalmente, so fabricados nos modelos ditos de: ao simples ou de dupla ao. Os compressores de pisto aspiram e comprimem o ar durante seu movimento entre o ponto morto inferior e o ponto morto superior, medida que so acionadas automaticamente as vlvulas de admisso e descarga do ar. Estes compressores podem possuir vrios cilindros e, logo, vrios pistos. Pode-se com eles obter grande flexibilidade na produo de presses e vazes.

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Figura 3.2 - Tipos de compressores


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Figura 3.3 - Simbologia dos tipos de compressores

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Os compressores mais comuns so os do tipo V. Os de dupla ao so do tipo L, com um pisto na horizontal e outro na vertical. A lubrificao poder ser realizada sob presso ou por meio de banho de leo, que armazenado no crter (pescador). Alm de efetuar a lubrificao das partes mveis, o leo lubrificante ajuda a resfriar a carcaa do compressor. A figura 3.4 exemplifica esses tipos de compressores.

Figura 3.4 - Compressores alternativos de pisto


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Os arranjos de pistos e cilindros de um compressor apresentam vrias vantagens e desvantagens. Por exemplo:

Cilindros verticais

Como os pistos funcionam em movimento vertical, o efeito motor de baixo para cima, o que evita tenses mecnicas adicionais sobre as bases de montagem.

Cilindros horizontais

A fora da gravidade no atua contra o pisto no movimento de compresso. Este benefcio s notado para grandes vazes.

Tipos: V, W ou L

Consegue-se uma melhor distribuio dos esforos mecnicos. Necessita de menor espao fsico de instalao para a mesma produo de ar comprimido, considerando outro tipos.

Compressores de pisto para a produo de ar isento de leo

Estes compressores so projetados para que os anis do pisto sejam de materiais que produzem pouco atrito (PTFE ou carbono). Como no existir a ajuda de resfriamento do leo lubrificante, uma ventilao de resfriamento entre os cilindros por meios externos (ventilador axial) no permitir o superaquecimento das partes metlicas, fato que dificultar a reduo da viscosidade do leo, no permitindo que gotas de pequeno dimetro passem para a cmara de compresso e se misturem com o ar comprimido. Existem compressores de pequeno tamanho deste tipo que utilizam rolamentos externos suportando o virabrequim, livrando-os do uso de leo de lubrificao no crter.

3.1.2 Compressores de parafusoOs compressores de parafuso so do tipo volumtrico rotativo. Foram desenvolvidos durante os anos 30, quando se necessitou de compressores que produzissem altas vazes e que mantivessem o comportamento estvel quando houvesse variao de carga. Dois rotores montados em paralelo o rotor dito "macho" e o rotor dito "fmea" - giram em sentidos opostos dentro de uma carcaa. Um dos parafusos o que recebe energia motriz e o outro acionado pelo movimento transmitido por meio de engrenagens

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acionadas pelo primeiro rotor.O ar aprisionado nos espaos entre os rotores, os quais so diminudos ao longo da trajetria do ar pelos rotores. Portanto, a presso do ar vai aumentando at que o ar atinja o final da trajetria, onde a presso final alcanada e o ar descarregado. Os volumes que o ar ocupa entre os rotores so formados pelos espaos existentes entre as hlices dos parafusos, e so sempre de valores decrescentes. As presses a serem alcanadas no fim da compresso no dependem do comprimento dos rotores. A principal vantagem desses compressores a de no possuir vlvulas, reduzindo as possibilidades de falhas, muito comuns nessas peas. As foras axiais que aparecem devido aos esforos desenvolvidos em uma s direo so contrabalanadas pelos rolamentos autocompensatrios de fixao nas extremidades. Devido ao seu funcionamento, este tipo de compressor produz o ar comprimido em regime constante e sem pulsao o inverso dos compressores de pisto, que produzem a vazo de ar comprimido em pulsos.

Figura 3.5 - Compressor parafuso

Compressores de parafuso isentos de leo

Estes compressores so construdos de forma que os rotores e o ar no entrem em contato com o leo lubrificante, pois nesses tipos dispensa-se a lubrificao. Os eixos dos rotores so sustentados por rolamentos montados externamente ao interior da carcaa. Nos anos 60, foram introduzidos os compressores de parafusos de roscas assimtricas, que aumentaram sobremaneira a eficincia de compresso, pois houve uma reduo drstica nas perdas por vazamentos internos entre as roscas helicoidais simtricas. Compressores de parafuso com injeo de leo

Quando se exige que os compressores de parafusos produzam ar com presses muito elevadas, necessrio que os parafusos sejam lubrificados, primeiro, para garantir o


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funcionamento em regime de trabalho pesado e, principalmente, para ajudar a refrigerao da mquina. As caractersticas apresentadas pelos compressores de parafuso mais importantes so:

volume reduzido; produo contnua de ar; e temperatura mais baixa no fim da compresso.

3.1.3 Compressores dinmicosEstes compressores so tambm denominados compressores de fluxo.

Compressor axial

Nos compressores axiais, o ar que ser comprimido segue uma trajetria axial ao passar pelas ps fixadas em um rotor (ps mveis). Sua trajetria orientada por ps fixas presas na carcaa. O ar acelerado nas ps mveis e desacelerado nas ps fixas. Devido ao formato e disposio das ps, a energia cintica fornecida ao ar pelas ps mveis vai se transformando em energia de presso ao longo da trajetria do ar pelo compressor nas ps fixas. A fora de empuxo axial gerada contraposta pelo uso de rolamentos de encosto axiais. A vazo de ar normal obtida nestes compressores bastante alta em comparao com os compressores citados at aqui, porm as presses efetivas obtidas so limitadas. As principais caractersticas desses compressores so:

produo uniforme do ar comprimido; produzem o ar isento de leo; sensvel a variaes de carga e tenses; e atendem a vazes elevadas.

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Figura 3.6 - Compressor axial Compressores radiais centrfugos

Nestes compressores, o ar admitido no sentido axial no interior do rotor, sendo depois dirigido, verticalmente, ao eixo por meio da fora centrfuga gerada pela rotao do rotor e pela forma das ps, onde o ar acelerado. Na sada do compressor existe uma roda de ps fixas, denominada difusor, onde a energia cedida ao ar, na forma de energia cintica, ser transformada em energia de presso. Se o compressor possuir mais de um rotor, ele denominado multiestgio (ou turbo compressor), podendo atingir a presses acima de 25 bar. Operam com rotaes entre 15000 a 100.000 rpm. Possuem resfriamento de ar entre os estgios, o que aumenta bastante o rendimento. O eixo que suporta os rotores montado em rolamentos de esferas ou de cilindros.

Figura 3.7: Compressor radial centrfugo


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As principais caractersticas desses compressores so:

produo de ar comprimido uniforme; ar comprimido produzido totalmente isento de leo; sensveis a mudanas de carga e tenses; e produzem altas vazes.

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Armazenamento do Ar Comprimido Reservatrios

O compressor, usualmente, funciona fornecendo ar para um reservatrio. Considera-se que os resfriadores posteriores, ou aftercoolers, so parte integrante dos compressores. As necessidades instantneas de ar comprimido da instalao so cobertas pelo reservatrio, que, enquanto est cedendo ar para a instalao, permite que o compressor permanea desligado ou funcione de modo contnuo, sem quedas bruscas de presso. A armazenagem compensa as flutuaes no consumo e atende aos picos de consumo. Como o motor eltrico desligado poucas vezes, o seu desgaste reduzido. Em algumas instalaes, vrios reservatrios podem ser necessrios. Instalaes de grande porte configuram casos em que se empregam vrios reservatrios. O volume do reservatrio determinado pela DLE do compressor, pelo sistema de controle e pelo consumo de ar comprimido. Os reservatrios de ar comprimido desempenham tarefas importantes nos sistemas pneumticos. A tabela 4.1 mostra os volumes de reservatrios de ar comprimido normalmente usados nos Estados Unidos para as presses de 3 a 8,5 bar e segundo a capacidade do compressor de trabalhar de forma contnua. Geralmente, o caso de compressores de parafuso. No caso de se usar o reservatrio para controle de partidas e paradas automticas, sugere-se que o reservatrio atenda metade da capacidade, conforme indica a tabela. Adiante, ao estudarmos o clculo do volume dos reservatrios, veremos que esses volumes indicados situam-se no limite inferior dos valores recomendados. TA B E L A 4 . 1 - V O LU M E S D E R E S E R VAT R I O S E P R E S S E S D I S P O N V E I S(continua)

VOLUME (m )3

m / min REGIME CONTNUO3

m / min PARTIDA - PARADA3

0,13 0,31 0,53 0,95

1,1 3,1 5,4 9,6

0,6 1,6 2,7 4,8


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TA B E L A 4 . 1 - V O LU M E S D E R E S E R VAT R I O S E P R E S S E S D I S P O N V E I S(concluso)

VOLUME (m3) 1,60 2,69 4,23 6,24 8,79 11,98 Fonte: Rollins

m3 / min REGIME CONTNUO 16,2 27,2 60,0 88,3 125,0 170,0

m3 / min PARTIDA - PARADA 8,1 13,6 30,0 44,2 62,5 85,0

Quando for fazer a escolha de um reservatrio mas o volume encontrado nos clculos no se encontra dentro dos valores dos reservatrios disponveis no mercado, utilize a regra de escolher aquele que tenha um volume mais prximo do necessrio. O maior custo para fabricar um reservatrio de volume no padronizado torna-se economicamente invivel.

4.1 Funes dos reservatrios de ar comprimido

Reduo da condio de pulsao do ar comprimido

Devido ao seu princpio de operao, os compressores de pisto fornecem uma vazo pulsante. As flutuaes na presso, s vezes, prejudicam o funcionamento dos equipamentos e dispositivos consumidores. Os instrumentos de controle de operao e medio reagem muito mal a estas flutuaes e podem apresentar erros drsticos. Os reservatrios so usados para balancear tais flutuaes de presso. Nos compressores do tipo de parafusos, o aparecimento dos problemas citados acima muito reduzido, devido ao seu princpio de funcionamento na produo do ar comprimido.

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Coleta do condensado

A compresso produz a umidade em forma de gotas de gua (condensado). Esta gua usualmente drenada de dentro do reservatrio. Parte do calor gerado no ar devido compresso retirado e cedido ao meio que envolve o reservatrio pelas superfcies externas do reservatrio, e ento o ar resfriado. Esse resfriamento que origina o fato de grande parte do condensado ser precipitado nas paredes internas do reservatrio. O condensado coletado no fundo do reservatrio e removido para o exterior por meio de um conjunto adequado de drenagem. Nos reservatrios cujas instalaes na grande parte do tempo ficam sem funcionar, as paredes podero ter corroso pelo condensado. A galvanizao das superfcies em contato com o condensado pode reduzir este problema. Porm, se o condensado drenado constante e regularmente, no absolutamente essencial a galvanizao. Quando o condensado contm concentraes de agentes agressivos, a galvanizao absolutamente necessria.

Atender a picos de demanda

Para os sistemas usurios que apresentam ferramentas de uso espordico, terminais usados para limpeza ou equipamentos pneumticos com consumos elevados mas que funcionam por curto perodo, o volume de ar do reservatrio utilizado para minimizar ou eliminar a necessidade de compressores de maior capacidade apenas para atender a esses curtos perodos de demanda. Em alguns casos justifica-se a aquisio de um ou mais compressores para atender apenas a esse tipo de carga.

4.2 Instalao dos reservatriosOs reservatrios de ar comprimido so absolutamente necessrios em sistemas em que os compressores tm funcionamento intermitente e com muitos tempos mortos. A flutuao da presso no deve exceder a 20% da presso mxima de operao (por exemplo, em presso mxima de 10 bar permitida uma flutuao de at 2 bar). Caso ocorram flutuaes maiores, podero ocorrer problemas estruturais, principalmente nas partes soldadas do tanque, pelo aparecimento de tenses adicionais que levam a falhas por fadiga. Para sistemas assim devero ser usados reservatrios de construo especial.


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Localizao

O reservatrio de ar comprimido dever ser instalado em local fresco, de modo a permitir que mais condensado seja precipitado no reservatrio, o que reduzir os custos de instalao de dispositivos para a retirada de condensado ao longo da instalao pneumtica. Os reservatrios de ar comprimido devem ser instalados de maneira que possam ser inspecionados e receber manuteno regular. Os reservatrios devero ser montados sobre bases de fundao adequadas. Deve ser levado em conta que as tenses sobre as bases aumentam durante os testes hidrostticos quando o reservatrio cheio com gua. Os cuidados da localizao e montagem devem levar em conta o perigo de acidente para as pessoas e proteo contra coliso ou choques com outros equipamentos mecnicos.

Instrumentao e segurana dos reservatrios de ar comprimido

Sendo vasos de presso, os reservatrios so calculados, projetados e construdos seguindo normas especificas dos pases onde so fabricados. No Brasil, existem normas de segurana (NR 13) e de clculo que seguem de perto as normas de construo e projeto da ASME. Os operadores dos sistemas de ar comprimido devem ser treinados nas regras de segurana existentes para vasos de presso (NR 13). Os reservatrios possuem vrios orifcios, onde so fixadas vrias conexes de tubulaes. Servem, tambm, para a instalao dos instrumentos necessrios ao controle do sistema. A figura 4.1 apresenta um exemplo de reservatrio, contendo diversos acessrios.

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Figura 4.1 - Reservatrio de ar comprimido com as conexes 1) pressostato usado para controlar o funcionamento do compressor; 2) vlvula de reteno (no retorno) dever ser instalada na linha de alimentao que liga o compressor ao reservatrio. (nos compressores a pisto, evita que o ar retorne ao compressor quando este para de funcionar; nos compressores de parafuso, faz parte integrante do compressor); 3) vlvula de segurana sua instalao nos reservatrios exigncia legal (se a presso interna de operao do tanque alcanar valores acima de 10% da presso mxima de operao no reservatrio, ela se abre e descarrega o excesso de presso); 4) flange de controle usado como orifcio para se instalar um manmetro calibrado para se fazer a inspeo no reservatrio nos testes de presso; 5) manmetro mostra a presso interna do reservatrio;


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6) vlvula de bloqueio de esfera usada para isolar o sistema de tubulaes do reservatrio ou o compressor; 7) dreno de condensado o condensado precipitado no reservatrio dever ser drenado eficientemente para o coletor de condensado por meio deste dreno; 8) base para conexes local para instalao de outros acessrios e vlvulas; 9) abertura de inspeo serve para verificar a limpeza e o interior do reservatrio (seu dimetro mnimo de prescrio legal); e 10) mangueira flexvel de alta presso conecta o compressor ao reservatrio e elimina qualquer vibrao no reservatrio proveniente do compressor (com esta mangueira, todo o sistema, a partir do compressor, ficar livre do aparecimento de defeitos causados por vibraes). Nem todos os equipamentos indicados so obrigatrios, mas seu uso recomendado. Vlvula de segurana A presena da vlvula de segurana exigncia de lei. Se a presso interna no reservatrio PN (presso do sistema) aumenta para valores superiores aos da presso prescrita (por exemplo, a presso mxima do compressor 10 bar, e a presso do tanque supera esse valor), a vlvula de segurana abre-se lentamente. Se a presso do sistema aumenta 10% acima da presso nominal (por exemplo, presso do tanque 11 bar, presso na vlvula de segurana 12,1 bar), a vlvula de segurana abre-se totalmente e deixa o ar fluir para o ambiente, eliminando o excesso de presso. A vlvula de segurana dever ter dimetro de abertura suficiente para que no haja em momento algum restrio ao escape do excesso de presso. A cada vez que a rede de distribuio de ar cresce ou o nmero de compressores aumenta, a vlvula de segurana dever ser atualizada, pois se, por acaso, ela no funcionar h perigo de exploso do reservatrio.

4.3 Volume dos reservatrios (VR)Diversas so as indicaes para o clculo do volume do reservatrio. Como descrito no incio do captulo, o volume depende dos mecanismos de controle e automao, do tipo

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de compressor empregado e do regime de funcionamento. O reservatrio deve ter capacidade suficiente para atender a cargas instantneas, elevadas ou espordicas. O tamanho do reservatrio e o nmero de partidas por hora permitidas para motores de compressores (TC) so variveis que se relacionam. A frmula 4.2 representa uma regra prtica recomendada por um fabricante de sistemas de ar comprimido. Algumas regras prticas indicadas na literatura recomendam:

Volume de 10% a 100% da vazo em m3/min que o sistema deve atender (VR = 0,1 a 1 x Q), em que Q a demanda do sistema. Para sistemas com consumo constante, geralmente, compressores a parafuso, VR = DLE / 3. Para sistemas com consumo intermitente, geralmente, compressores a pisto, VR = DLE. VR = Q . t / P (4.1)

t o tempo que o reservatrio pode fornecer ar comprimido para no ocorrer queda excessiva de presso ou para evitar partidas freqentes do motor e, conseqentemente, sobreaquecimento deste. P a diferena de presso inicial e final do reservatrio ou de acionamento do compressor.

VR = DLE . F / (TC . P) F = 5 para compressores de parafuso; e F = 15 para compressores a pisto.

(4.2)

VR = DLE x 60 x [D/DLE - (D/ DLE)2] / [Tc x (Pmx - Pmin)] VR = Volume do reservatrio de ar comprimido, em m3;

(4.3)

DLE = Vazo do(s) compressor(es), em m3/min;


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D Tc

= Demanda necessria, em m3/min; = Taxa de ciclos seguidos do motor, 1/h;

Pmx = Presso de desligamento do compressor, em bar; e Pmin = Presso de religamento compressor, em bar. Sistemas funcionando com compressores a pisto requerem reservatrios maiores para permitir melhor equalizao do fluxo de ar, evitando-se os pulsos de ar gerados nesse tipo de compressor. DICA: Quanto maior o diferencial de presso permitido, menor ser o reservatrio ou menos tempo o compressor ir funcionar. Caso se queira reduzir o tempo em alvio dos compressores, isto , economizar energia, deve-se aumentar o tamanho dos reservatrios e/ou aumentar o diferencial de presso, reduzindo a presso de entrada em operao, se for possvel.

Exemplo Uma instalao com trs compressores trabalhando entre 8 e 7 bar ( P = 1), cada um com DLE de 2 m3/min (33,33 l/s), a 8 bar, reservatrio de 3.000 l e temperatura ambiente de 30C. TC = 12, isto , os motores de acionamento possuem ciclos mnimos de 5 minutos, potncia em carga de 12 kW e em alvio de 2,5 kW. O sistema demanda 3,6 m3/min (60 l/s) em mdia, mas apresenta uma demanda adicional de 2,4 m3/min (40 l/s) durante 20 segundos a cada 10 minutos. Dois compressores esto regulados para, ao atingir a presso de 8 bar na rede de ar, entrarem em alvio, assim permanecendo at que a presso reduza a 7 bar. Se aps 5 minutos a presso no atingir esse valor, eles so desligados. O outro compressor, que est regulado para uma faixa de presso maior, trabalha continuamente, conforme verificado. O sistema funciona 24 h/dia, 720 h/ms. Verificar as opes de otimizao atuando no tamanho do reservatrio e/ou no diferencial de presso.

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Consideraes iniciais:

Figura 4.2 - Croqui do exemplo

O sistema demanda 100 l/s por 20 s a cada 10 minutos e 60 l/s no tempo restante. O reservatrio abastece o sistema. Quando a presso atinge 8 bar, os compressores 2 e 3 entram em alvio, at que a presso atinja 7 bar. Verifiquemos o ciclo de funcionamento do sistema, partindo do reservatrio cheio (P1 = 8 bar; V1 = 3 m3; 1 = 10,47 kg / m3) para a situao de acionamento dos dois compressores (P2 = 7 bar ; V2 = 3 m3; 2 = 9,31 kg / m3). Da equao geral dos gases P. V = m . R . T R = constante do ar m = .V (4.5) (4.4)

O volume permanece o mesmo, mas a massa varia. Considerando que a temperatura ser a restabelecida e constante, podemos escrever que: P / m = constante


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Logo: P1 / m1 = P2 / m2 (4.6)

m2 = P2 . m1 / P1

m2 = P2abs . 1 . V1 / (P1abs . 2)

Utilizando os dados, temos que m1 = 31,42 kg e m2 = 27,93 kg. Teremos as seguintes situaes, num ciclo: t0 reservatrio a 8 bar, compressor 1 com vazo de 33,33 l/s e demanda do sistema de 100 l /s, reservatrio perdendo massa. t1 - ao se perder 3,49 kg de ar, os compressores 2 e 3 sero acionados - demanda e produo iguais a 100l/s. t2 - at os 20s, a presso do reservatrio ficar constante. t3 - Retornando a demanda para 60 l/s, os 40 l/s excedentes enchero o reservatrio de novo at a presso de 8 bar, entrando os dois compressores em alvio. t4 - haver uma demanda excedente de 26,67 l/s (60 33,33), que esvaziar o reservatrio at 7 bar. Os compressores 2 e 3 sero acionados - produo igual a 100l/s. Volta situao t3. Esse ciclo (t3 - t4 - t3) permanece at completar 10 minutos, quando se reinicia o ciclo de t0 a t4. Devido variao de massa especfica durante os ciclos, usaremos valores mdios. A tabela 4.2 resume a situao encontrada. TA B E L A 4 . 2 S I T U A O E N C O N T R A D A t0 t (s) Q (l/s) P (bar) DLE (l/s) - C1 DLE (l/s) - C2 DLE (l/s) - C3 C2 e C3 0 100 8 33,33 0 0 sem carga t1 3,3 100 7 33,33 33,33 33,34 sem alvio t2 20 100 7 33,33 33,33 33,34 Total t3 25,4 60 8 33,33 33,33 33,34 ciclos(continua)

t4 33,6 60 7 33,33 0 0

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TA B E L A 4 . 2 S I T U A O E N C O N T R A D A t0 aps 20 s. em 10 min. 5,4 248,8 41% Potncia - kW Consumo* total *inclui C1 12 15804,1 t1 8,2 351,2 59% 2,5 2107,5 17912 kWh t2 13,6 600,0 100% t3 42,7

(concluso)

t4

Com a proposta de operar apenas dois compressores, mantendo um de reserva, conforme a tabela 4.3 apresenta. Nesse caso, prope-se que t1 coincida com t2, para evitar que C3 opere. TA B E L A 4 . 3 - S I T U A O P R O P O S TA t0 t (s) Q (l/s) P (bar) DLE (l/s) - C1 DLE (l/s) - C2 DLE (l/s) - C3 0 100 8 33,33 33,33 0 t1 20,0 100 ? 33,33 33,33 t2 20 100 ? 33,33 33,33 t3 120,1 60 8 33,33 33,33 t4 145,1 60 ? 33,33 0 0

C1 e C2 aps 20 s. em 10 min.

s em carga 100,1 464,1 77%

s em alvio 25,0 135,9 23% 2,5 407,7

Total 125,1 600,0 100%

ciclos 4,6

Potncia - kW Consumo* total *inclui C1

12 15323,2

15731

kWh


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Para conseguirmos esse ciclo de operao, podemos reduzir a presso mnima do sistema ou aumentar o volume do reservatrio, ou ambos. As trs solues encontradas so apresentadas na tabela 4.4. Elas foram obtidas variando-se a presso e/ou o volume do reservatrio de modo a obter-se t1 = 20 s. Nesse tempo, haver uma fuga de 666,67 l (20 x 33,334), que, multiplicada pela massa especfica mdia (tabela 7.6), representa a massa que o reservatrio poder perder e manter a condio proposta. TA B E L A 4 . 4 A LT E R N AT I VA S E N C O N T R A D A S ALTERNATIVA VOLUME DO RESERVATRIO m3 3,0 9,2 4,6 PRESSO MNIMA - bar 5 7 6

1 reduo da presso 2 aumento do reservatrio 3 ambas

Caber ao pessoal do processo verificar se possvel reduzir a presso sem prejudicar a produo. Quaisquer das solues promover uma economia de 12% do consumo de energia e poder reduzir a demanda em at 12 kW. Existem outras solues: utilizando ou no o terceiro compressor; atuando no tempo de alvio; e automatizando o funcionamento dos compressores com a demanda. H outras que no so o objetivo do tema estudado. O arquivo exerciciocap4 que consta no CD que acompanha este documento, apre, senta as planilhas usadas no clculo.

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O Tratamento do Ar Comprimido

Os equipamentos mais modernos que utilizam ar comprimido exigem que este esteja completamente livre de impurezas, seco (isento de gua) e, em certas aplicaes, at esterilizado. As impurezas contidas no ar atmosfrico so normalmente invisveis a olho nu. Elas podem danificar e reduzir a performance de funcionamento dos equipamentos pneumticos, podendo at, em certos casos, provocar falhas nos produtos finais do usurio / industria. Em mdia, 1 m3 de ar atmosfrico contm mais de 180 milhes de partculas, de tamanhos que se distribuem entre 0,01 e 100 m, e contm de 5 a 40 g/m3 de gua. Tambm, comum existir material oleoso na base de 0,01 a 0,03 mg/m3 em suspenso na forma de aerossis e de hidrocarbonetos gasosos. Em certos locais, tambm so encontrados traos de material pesado, tais como: chumbo, cdmio, mercrio e ferro. Quando o ar comprimido, o volume ocupado pelo ar reduzido e a concentrao dessas impurezas aumenta bruscamente. Por exemplo, na compresso de ar a 10 bar a concentrao de impurezas aumenta 11 vezes. Assim, o volume de 1m3 de ar comprimido nesta presso conter cerca de 2 bilhes de partculas.

5.1 Benefcios obtidos com o tratamento do ar comprimido

aumento da vida til dos equipamentos consumidores de ar comprimido; melhoria na qualidade do produto final; iseno de condensado e sujeiras nas tubulaes pneumticas; reduo de problemas mecnicos por mau funcionamento, causado por essas sujeiras; reduo de custos com a aquisio de dispositivos de coleta e a eliminao de condensado das linhas; reduo dos tempos mortos, devido manuteno corretiva;


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reduo de perdas de presso na distribuio de ar, por eliminar as resistncias ao escoamento do ar; e reduo do consumo de energia, que diretamente ligada perda de presso.

5.2 Conseqncias do tratamento ineficiente do ar comprimidoA presena das impurezas e de gua no ar atmosfrico admitidas no sistema de compresso podero causar problemas em diversas partes do sistema de ar comprimido. Por exemplo: aumentar o desgaste das tubulaes e nos equipamentos consumidores e gerar a possibilidade de reduo da qualidade dos produtos do processo fabril. Em algumas aplicaes, o uso do ar comprimido sem o devido tratamento pode causar danos muito graves e at prejudiciais sade. Tendo em vista essas consideraes, torna-se importante que o ar seja tratado, ou seja, retirado o mximo possvel de particulados, leo e gua. a) Partculas slidas

Sujeira e outras partculas causam arranhes nas superfcies metlicas, gerando desgaste nos sistemas pneumticos, principalmente quando, alm delas, existe uma combinao com leos e graxas, formando uma pasta de consistncia parecida com as pastas utilizadas nas operaes de lixamento. b) A presena de leo

A presena de depsito de leo acumulado nos sistemas pneumticos provoca a reduo do dimetro dos tubos e pode dificultar e at bloquear pequenos orifcios de passagem do ar. Em algumas aplicaes nas indstrias de alimentos e produtos farmacuticos, exigese que o ar comprimido esteja isento de leo, por razes de segurana para a sade. c) A gua

A umidade presente nos sistemas pneumticos pode provocar corroso. A gua causa oxidao em superfcies metlicas, propiciando a formao de crostas de oxidao nas tubulaes, que podem deteriorar os equipamentos ou dispositivos e causarem vazamentos.

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A mistura da gua com o leo provoca falhas nas camadas de lubrificao, que levam a defeitos mecnicos por desgaste.

5.3 Secagem do ar comprimidoUma parte importante no tratamento do ar comprimido cumprida pela retirada da gua do ar comprimido. Esta ao denominada secagem do ar comprimido. A secagem oferece inmeras vantagens aos usurios de ar comprimido, em termos de qualidade, durabilidade e manutenbilidade.

Aftercooler ou resfriador posterior de ar comprimido

O aftercooler um trocador de calor, que resfria o ar comprimido, possibilitando a precipitao primria do condensado, evitando que a gua fique nas tubulaes. O resfriamento do ar comprimido pode ser realizado por gua ou ar. A posio de instalao dever ser logo aps o compressor, antes do reservatrio e do sistema de secagem do ar. Cerca de 80-90% do condensado devero ser precipitados pela ao do aftercooler e do secador. De modo geral, o ar comprimido deixa o aftercooler com a temperatura 10C acima da do fluido de resfriamento usado: ar ou gua. Atualmente, os resfriadores posteriores esto incorporados ao compressor em um nico conjunto. Os mtodos de secagem usam os princpios de: condensao, soro e difuso para retirada da gua contida no ar. Condensao. Consiste na precipitao da gua quando o ar resfriado do seu ponto de orvalho. Soro. a secagem por remoo qumica da umidade. Neste processo, o ar obrigado a entrar em contato com um material higroscpico, que poder ser lquido ou slido (por exemplo, cloreto de sdio e cido sulfrico). Difuso. a secagem por transferncia molecular em pelcula. Com o tempo de uso, a pelcula tem que ser regenerada. Existem dois tipos de regenerao: a frio e a quente. A figura 5.1 apresenta os diversos tipos de secagem existentes. Embora existam possibilidades de utilizao de secadores de todos os tipos, a realidade


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mostra que para o uso normal de ar industrial os secadores que funcionam na base de condensao, denominados secadores de ar por refrigerao, so, de longe, os mais utilizados. O uso de secadores de soro exige o consumo de material higroscpico, de parcela do ar produzido e de uma fonte de energia para regenerao do material secante. Deste modo, torna-se um processo menos eficiente e mais caro. Entretanto, este tipo de secador deve ser empregado quando se deseja um ar praticamente isento de gua, pois ele pode levar o ponto de orvalho a -40, enquanto os secadores por refrigerao, para as mesmas condies, atingem pontos de orvalho entre 2C e 10C. Como seu emprego para secagem completa limitado a aplicaes especficas, faremos consideraes somente sobre o uso de secadores de ar por refrigerao. Primeiramente, verificaremos onde deve ser posicionado o secador num circuito de ar comprimido.

Posicionamento dos secadores com relao ao reservatrio de ar

Existem duas possibilidades de arranjo de um sistema de secagem do ar comprimido por refrigerao em uma instalao. O sistema pode ser instalado antes ou depois do reservatrio de ar comprimido. A deciso de se utilizar uma ou outra situao depende das consideraes sobre as vantagens e desvantagens da escolha.

Figura 5.1: Tipos de secagem de ar

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a) Secador instalado antes do reservatrio de ar comprimido. A figura 5.2 mostra essa disposio.

Figura 5.2 - Secador antes do reservatrio

Vantagens

O ar completamente seco no interior do reservatrio. No haver precipitao de condensado no reservatrio. A qualidade do ar consistente. A retirada rpida de uma grande quantidade de gua do ar comprimido (demandas instantneas) no altera o ponto de orvalho do ar comprimido. Isto , redues bruscas de presso na rede de ar levam a uma reduo da temperatura, o que pode provocar uma condensao da gua contida no ar, a qual ser arrastada pela tubulao at que seja drenada ou aplicada junto com o ar comprimido. Desvantagens

Os secadores so maiores. Devero ser projetados para atender plenamente produo do compressor. O secador para este caso fica superdimensionado quando o consumo no sistema ou a demanda por ar seco forem baixos. A secagem, quando o compressor produz ar de forma pulsante, tambm pulsante, como no caso dos compressores de pisto. Esse fato cria tenses mecnicas no secador. A temperatura do ar comprimido alta. O ar comprimido deve se dirigir ao secador logo aps o resfriador posterior (aftercooler) do compressor, para que a temperatura


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do ar comprimido seja menor.

Ocorre a incapacidade de se poder dividir o ar comprimido em vazo que dever ser de ar seco, e a vazo de ar que no necessita ser de ar seco. H a grande quantidade de condensado. Todo o condensado ira se precipitar no secador. Concluso

A instalao do secador antes do reservatrio de ar comprimido, com certeza, conduzir a resultados economicamente piores. Porm, o bom senso e a experincia devem orientar a anlise. b) Secador instalado depois do reservatrio A figura 5.3 mostra essa disposio. Vantagens

Os secadores so de menor porte. Podero ser dimensionados para o consumo real de ar comprimido ou para a vazo parcial de ar comprimido que tenha a necessidade de ser secado. A secagem com vazo no turbulenta. Ocorre a admisso de ar comprimido com temperatura mais baixa. O ar comprimido perde calor ao ser armazenado e estar mais frio quando chegar ao secador. A quantidade de gua a ser condensada no secador menor. Sempre h precipitao de gua no reservatrio, devido ao aumento do volume de armazenamento, restando assim menor volume de gua a ser retirada no secador.

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Figura 5.3 - Secador depois do reservatrio Desvantagens

Ocorre a presena de condensado no reservatrio. O contato de gua com as partes de ao do reservatrio aumentam e muito, as possibilidades de corroso. Verifica-se sobrecarga no secador. O secador ficar sobrecarregado se houver qualquer mudana brusca na produo ou consumo de ar comprimido. A temperatura do ponto de orvalho do ar comprimido aumenta. Concluso

Na grande maioria dos casos, o argumento econmico favorvel instalao do secador aps o reservatrio. Secadores menores podem ser utilizados, e a eficincia melhor. c) Secadores de ar usando refrigerao Atualmente, o tipo mais usado nos sistemas industriais de produo de ar comprimido. No caso particular deste secador de ar, o ar comprimido quente e mido entra no secador, passando por um trocador de calor ar/ar, sendo pr-resfriado pelo ar que foi resfriado no secador e que est saindo. Em seguida, passa por outro trocador de calor, que o evaporador de um sistema de refrigerao, onde a sua temperatura diminuda de at 3C a 4C, que normalmente o ponto de orvalho do ar comprimido nas presses usuais. Atingida esta temperatura, a umidade (vapor d'gua) se condensa. A gua, agora na fase


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lquida, pode ser drenada do sistema. Aps ter sido separada e retirada a gua, o ar comprimido, que agora possui apenas uma umidade relativa no entorno de 20% (que o usual para ar industrial seco), aumenta sua temperatura, passando pelo trocador ar/ar, j mencionado, resfriando o ar que est entrando no secador e se aquecendo a uma temperatura que o possibilite ser filtrado em um filtro coalescente. Vazo de condensado precipitado O exemplo seguinte mostra como determinar a vazo de condensado, Qc, que realmente ir se precipitar quando o ar comprimido. Esse volume o que dever ser retirado do sistema. Exemplo: Ar atmosfrico aspirado a presso de 1 bar abs, temperatura de bulbo seco de 35C, umidade relativa e a mxima fornecida pela meteorologia de 80% e 39,6 g/m3, descarga livre (DLL) de 2000 m3/h na presso final P2 = 7 bar (8 bar abs). A instalao de compresso compreende um compressor em srie com um "aftercooler" (resfriador posterior de ar ), um reservatrio de ar comprimido e um secador de ar comprimido por refrigerao e as condies conforme mostradas no esquema representado na figura 5.4.

Figura 5.4 Condies do exemplo

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O ar atmosfrico contm uma quantidade de gua. No caso acima, a vazo de gua aspirada dada por: Qgua = DLL x Gs x UR Qgua = 2000 x 0,0396 x 0,80 = 63,4 kg/h 63,4 l/h No compressor, o ar aquecido por compresso a P2. Imediatamente, resfriado pelo aftercooler, que leva o ar atingir a temperatura de 40C, alcanando 100% de umidade relativa, e a o condensado se precipita (Qc1). Na prtica, no possvel coletar todo o condensado, pois parcela arrastada pelo fluxo de ar. Assumindo uma eficincia ( ) do aftercooler de 90%, temos: QRc = Qc . Qc1 = Qgua - (DLE2 x Gs2 x UR2) DLE2 = DLL / P2 = 2000 / 8 = 250 m3/h Gs2 = 50,7 g de gua/ m3, da tabela 2.4 Qc1 = 63,4 - ( 250 x 0,0507 x 1) = 50,7 kg/h 50,7 l/h QRc1 = 50,7 x 0,9 = 45,6 kg/h A vazo de gua contida no ar que vai para o reservatrio ser: Q gua2 = Qgua - QRc1 = 63,4 45,6 = 17,8 kg/h Logo aps, ao entrar no reservatrio, sofre ligeira expanso, e sua temperatura equaliza com a do ambiente, de 35C (Gs3 = 39,6 g/m3), UR de 100%. No reservatrio, nova quantidade de condensado se precipita (QRc2). Mantendo a eficincia de drenagem em 90%, temos: QRc2 = Qc2 . Qc2 = Qgua2 - (DLE3 x Gs3 x UR3) Qc2 = 17,8 - ( 250 x 0,0396 x 1) = 7,9 kg/h 7,9 l/h QRc2 = 7,9 x 0,9 = 7,1 kg/h (5.2) (5.1)


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A vazo de gua contida no ar que vai para o secador ser: Qgua3 = Qgua2 - QRc2 = 17,8 7,1 = 10,7 kg/h Depois, o ar comprimido ser resfriado no secador por refrigerao na temperatura de 5C. O condensado do ar ser todo precipitado e drenado do secador, (QRc3). Como h uma perda de carga (0,1 bar), o DLE ter que ajustado. QRc3 = Qgua3 DLE4 x Gs4 x UR4 Gs4 = 7,1 g de gua /m3, da tabela 2.4 QRc3 = 10,7 250 x (8 / 7,9) x 0,0071 = 8,9 kg/h 8,9 l/h A vazo de gua contida no ar que vai para a rede ser: Qgua4 = Qgua3 - QRc3 = 10,7 8,9 = 1,8 kg/h Para a temperatura da rede de 35C (Gs3 = 39,6 g/m3), a umidade contida ser: UA = 1,8 / (250 x 8 / 7,9) = 0,0071 g/m3 Logo, o ar sair com uma umidade relativa de: UR = 0,0071 / 0,0396 = 0,18 ou 18% A vazo de gua retirada do ar ser a soma de todas as parcelas, QRc. Logo: QRc = 45,6 + 7,1 + 8,9 = 62,6 kg/h 61,6 l/h Em vinte quatro horas de funcionamento por dia, retiram-se do ar cerca 1500 litros de gua, sendo que o secador responsvel por retirar cerca de 240 l.

5.4 Filtragem do ar comprimidoOs filtros utilizados nas instalaes tm a funo de retirar partculas slidas e leo presentes no ar comprimido.

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5.4.1 Filtros e terminologia dos filtrosa Filtros coalescentes

Filtros coalescentes grau AO

Usados para a remoo de partculas de at 1 micron, inclusive gua e leo condensado. A remoo de leo prescreve um residual mximo de leo de 0,5 mg/m3 de ar a 21C.

Filtros coalescentes grau AA

Usados para a remoo de partculas de at 0,01 micron, inclusive gua e leo condensado. A remoo de leo prescreve um residual mximo de leo de 0,01 mg/m3 de ar a 21C. A instalao deste filtro deve ser precedida em srie por um filtro coalescente do grau AO.

Filtros coalescentes grau ACS e AC (carvo ativo)

Usados para a remoo de vapores de leo, propiciando um contedo remanescente mximo de leo menor que 0,003 mg/m3 de ar ( 0,003 ppm ) a 21C. A instalao deste filtro deve ser precedida em srie por um filtro coalescente do grau AA. Os filtros ACS e AC no removem CO/ CO2 ou qualquer outro gs ou fumo txico.

Taxa de separao ou Taxa de eficincia (h%)

A taxa de separao mede a concentrao de impurezas antes e depois do filtro. tambm denominada taxa de eficincia. A taxa de separao a medida da eficincia do filtro. O tamanho mnimo de partculas [ m ] que podem ser separadas deve ser especificada. = 100 - (C2/C1) x 100 (%) C1 = Concentrao de impurezas antes do filtro; C2 = Concentrao de impurezas depois do filtro; e = Taxa de separao do filtro [ % ]. (5.3)


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Figura 5.5 - Filtro coalescente de ar A concentrao usualmente medida pela proporo do peso das impurezas pelo volume [mg/m3 ] do ar comprimido. Para concentraes muito baixas, a medida de concentrao usualmente definida pelo nmero de partculas por unidade de volume [n de partculas/cm3]. A quantidade de partculas por unidade de volume como medida de concentrao utilizada para medir a eficincia de filtragem de filtros de alto desempenho. A medio precisa e acurada do peso e ou quantidade de partculas por unidade de volume envolve muito trabalho e instrumentos de medio delicados. Exemplo de clculo de Um aparelho de ar comprimido tem a concentrao de impurezas antes da filtragem C1 = 30 mg/m3. Aps a filtragem, a concentrao de impurezas C2 = 0,003 mg/m3, composta por partculas de tamanho maiores que 3 m. = 100 - ( C2/C1 x 100 ) = 100 - [( 0,003/30) x 100] = 99,99 O filtro tem uma taxa de separao de 99,99% relativa a partculas maiores que 3 m.

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5.4.2 Perda de presso ou perda de carga pA queda de presso p a diferena entre as presses medidas no escoamento de ar antes e depois do filtro. A queda de presso p nos filtros aumenta com o tempo de uso, pois as partculas de sujeira coletadas pelo elemento de filtro vo obstruindo a passagem do ar. O valor de p para elementos de filtros fica entre 0,02 e 0,2 bar, dependendo do tipo de filtro. Muitos filtros j vm incorporados com instrumentos utilizados para avaliar as diferenas de presso atravs dos filtros. Se a queda de presso p exceder o limite citado acima, o filtro dever ser limpo e o elemento de filtro, substitudo.

Figura 5.6 - Esquemtico de medio da perda de presso no filtro A vazo volumtrica mxima atravs de um filtro sempre relativa a uma presso manomtrica (por exemplo, Pman = 7bar). Se a presso na linha onde o filtro vai operar mudar, muda tambm a capacidade de vazo do filtro. A mudana desta capacidade poder ser obtida pelo uso do fator de correo f, fornecido pela tabela 5.1, que pode ser calculado pela relao de presses absolutas (f = Pabs / Prefabs). TA B E L A 5 . 1 - D E T E R M I N A O D O FAT O R FPresso [bar] Fator f 1 2 3 4 5 6 7 1 8 9 10 11 12 13 14 15

0,25 0,38 0,5 0,55 0,75 0,88

1,13 1,25 1,38 1,5 1,63 1,75 1,88 2

5.5 Drenagem do condensado gerado nos sistemas de ar comprimidoSempre e onde aparecer nos sistemas pneumticos, o condensado deve ser drenado.


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Caso contrrio, ele tomar conta de toda a tubulao, e o ar o transportar para onde for. A coleta e a eliminao de condensado representa um custo operacional obrigatrio. O condensado deve ser drenado tambm para que possam se manter as perdas de presso do sistema sob controle. Deve-se levar em conta que a formao de condensado no ocorre em regime constante. A quantidade de condensado varia com a vazo, a temperatura e a umidade do ar que aspirado pelo compressor.

5.5.1 Classificao dos tipos de drenagem para condensado

Figura 5.7 - Tipos de drenos de condensado Para sel

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